低分壓二氧化碳回收新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用

龔 雪

（珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司，廣東珠海 519000）

隨著工業(yè)化和能源需求的不斷增長(zhǎng)，氣候變化和碳排放問題已成為全球范圍內(nèi)最為嚴(yán)峻和緊迫的挑戰(zhàn)之一。持續(xù)上升的大氣CO2濃度已導(dǎo)致地球溫度升高，極端氣候事件頻繁發(fā)生，海平面上升，生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，對(duì)全球社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了巨大的影響。因此，減少碳排放和尋找可持續(xù)的能源和工業(yè)解決方案已成為當(dāng)今科學(xué)和工程領(lǐng)域的首要任務(wù)。在這一背景下，低分壓二氧化碳回收技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用顯得至關(guān)重要，該技術(shù)不僅有助于減少CO2的排放，還能夠?qū)⑴欧诺腃O2有效地捕獲并利用，從而減輕對(duì)大氣的負(fù)荷，其被認(rèn)為是一種潛在的捕獲和利用CO2的解決方案，有望在緩解氣候變化和實(shí)現(xiàn)碳中和的道路上發(fā)揮關(guān)鍵作用。文章將探討低分壓二氧化碳回收技術(shù)的原理、最新研究進(jìn)展及在工業(yè)、能源和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為應(yīng)對(duì)氣候變化問題提供有力支持和可行性解決方案。

1 低分壓二氧化碳回收技術(shù)

1.1 低分壓二氧化碳回收技術(shù)基本原理

低分壓二氧化碳回收技術(shù)是一種創(chuàng)新且有前景的方法，旨在相對(duì)較低的氣體壓力下有效地捕獲和回收CO2。傳統(tǒng)的碳捕獲技術(shù)通常在高壓環(huán)境中進(jìn)行，涉及昂貴的設(shè)備和高能耗，限制了其可行性和經(jīng)濟(jì)性。而低分壓二氧化碳回收技術(shù)則以其能耗較低、設(shè)備簡(jiǎn)化和適用范圍廣等特點(diǎn)備受關(guān)注。該技術(shù)的基本原理是利用吸附材料吸附和分離氣體混合物中的CO2。這些吸附材料通常是多孔性材料，如金屬有機(jī)框架（MOFs）和納米材料，具有高度可調(diào)的表面化學(xué)性質(zhì)。在低分壓條件下，這些材料可選擇性地吸附CO2，而不受其他氣體的干擾，從而實(shí)現(xiàn)了高效的分離和捕獲。

1.2 相關(guān)研究的歷史和發(fā)展

低分壓二氧化碳回收技術(shù)的研究起源于對(duì)氣體吸附和分離原理的深入探索。早期的研究集中在理解多孔材料的吸附特性，然后逐步將這些理論應(yīng)用于CO2回收領(lǐng)域。隨著材料科學(xué)和化工工程的發(fā)展，研究人員開始合成設(shè)計(jì)具有高吸附容量和選擇性的吸附材料，推動(dòng)了低分壓二氧化碳回收技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來，該領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展。研究人員不斷改進(jìn)吸附材料的性能，提高其吸附容量和穩(wěn)定性，同時(shí)降低能耗和成本。許多新型吸附材料被設(shè)計(jì)用于低分壓二氧化碳回收，并在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)規(guī)模中進(jìn)行了測(cè)試。同時(shí)，模擬和建模方法也得到廣泛應(yīng)用，以深入理解吸附過程的機(jī)制并優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

總之，低分壓二氧化碳回收技術(shù)的研究歷史充滿了探索和創(chuàng)新，相關(guān)研究的發(fā)展為解決氣候變化問題提供了潛在的技術(shù)支持。隨著新材料的涌現(xiàn)和研究方法的不斷完善，該技術(shù)有望在未來扮演更重要的角色。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)和模擬方法

為深入研究低分壓二氧化碳回收技術(shù)的性能和效率，采用了一系列實(shí)驗(yàn)和模擬方法。這些方法的結(jié)合能全面評(píng)估吸附材料的性能及系統(tǒng)的工作特性。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集

（1）吸附材料制備。采用了合成和改進(jìn)的多孔吸附材料，如金屬有機(jī)框架（MOFs）和納米材料。這些材料的制備涉及化學(xué)合成和表征步驟，以確保其質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。

（2）吸附實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用自制的吸附裝置對(duì)吸附材料進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件包括溫度、壓力和氣體流速等參數(shù)的控制。在吸附過程中，記錄了吸附材料的吸附量和選擇性，以及吸附平衡時(shí)間等數(shù)據(jù)。

（3）解吸實(shí)驗(yàn)。為評(píng)估吸附材料的再生能力，進(jìn)行了解吸實(shí)驗(yàn)。通過改變溫度或壓力條件，觀察吸附材料釋放捕獲的CO2，并記錄解吸過程的數(shù)據(jù)。

（4）模擬方法。除了實(shí)驗(yàn)，還采用了計(jì)算模擬方法，如分子動(dòng)力學(xué)模擬和密度泛函理論計(jì)算，以理解吸附過程的分子層面機(jī)制。這些模擬提供了有關(guān)吸附材料的微觀結(jié)構(gòu)和吸附特性的重要見解。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括：①吸附裝置。使用自制的吸附裝置，具有精確的溫度和壓力控制功能。該裝置包括吸附柱、溫度控制系統(tǒng)和在線數(shù)據(jù)采集裝置。②氣體供應(yīng)系統(tǒng)。用于提供不同組成的氣體混合物，模擬真實(shí)環(huán)境中的氣氛。③分析儀器。包括氣相色譜儀（GC）、質(zhì)譜儀（MS）及紅外光譜儀（FTIR），用于分析氣體樣品的組成和濃度。

2.4 數(shù)據(jù)分析方法細(xì)節(jié)

（1）吸附數(shù)據(jù)處理。收集的吸附數(shù)據(jù)包括吸附等溫線和解吸等溫線。通過分析這些數(shù)據(jù)，計(jì)算了吸附材料的吸附量、吸附選擇性、吸附熱等重要參數(shù)。這些數(shù)據(jù)還用于建立模型以預(yù)測(cè)吸附材料在不同條件下的性能。

（2）模擬數(shù)據(jù)分析。對(duì)于模擬數(shù)據(jù)，使用分子模擬軟件進(jìn)行分析，包括分析吸附位點(diǎn)、吸附動(dòng)力學(xué)和吸附平衡等關(guān)鍵特性。

（3）統(tǒng)計(jì)分析。使用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以確定吸附性能中的變化趨勢(shì)和顯著性差異，包括方差分析和回歸分析等方法。

通過以上實(shí)驗(yàn)和模擬方法，能夠全面評(píng)估低分壓二氧化碳回收技術(shù)的性能，理解吸附材料的工作機(jī)制，為技術(shù)的改進(jìn)和實(shí)際應(yīng)用提供關(guān)鍵的數(shù)據(jù)和見解。

3 新技術(shù)的開發(fā)

3.1 最新低分壓二氧化碳回收技術(shù)

在應(yīng)對(duì)氣候變化和碳排放問題的挑戰(zhàn)中，最新的低分壓二氧化碳回收技術(shù)，為有效捕獲和利用CO2提供了更為可行的途徑。

3.2 原理和創(chuàng)新之處

最新的低分壓二氧化碳回收技術(shù)構(gòu)建在以下基本原理上：①多孔吸附材料。最新的技術(shù)使用具有高度可控孔隙結(jié)構(gòu)的吸附材料，如金屬有機(jī)框架（MOFs）、納米孔材料和離子液體。這些材料具有高表面積和可調(diào)的化學(xué)性質(zhì)，使其能夠高效地吸附CO2。②選擇性吸附。這些材料被設(shè)計(jì)用于選擇性吸附CO2，而不受其他氣體的影響。該創(chuàng)新處在于提高了分離效率，減少了后續(xù)處理所需的能量和成本。③低分壓條件。與傳統(tǒng)的高分壓碳捕獲技術(shù)不同，最新的技術(shù)在相對(duì)較低的分壓下操作，降低了能耗和設(shè)備成本，同時(shí)提高了技術(shù)的可行性。④高吸附容量。新材料和設(shè)計(jì)方法的引入提高了吸附容量，使得每單位吸附劑能夠捕獲更多的CO2。⑤動(dòng)態(tài)吸附和解吸。該創(chuàng)新技術(shù)采用了可逆吸附/解吸過程，通過改變溫度或壓力條件，能高效地釋放已吸附的CO2，從而實(shí)現(xiàn)了吸附劑的再生。

不同吸附材料的吸附選擇性見表1，最新的吸附材料在選擇性上表現(xiàn)出色，使其能夠高效地分離CO2與其他氣體。

表1 不同吸附材料的吸附選擇性

由于吸附反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)，隨著溫度的升高，吸附量也會(huì)逐漸增加。例如，25 ℃下吸附量為0.055 mol/g，50 ℃下吸附量為0.075 mol/g，75 ℃下吸附量為0.095 mol/g。

隨著吸附量的增加，每單位CO2的能源消耗逐漸降低，例如，吸附量0.04 mol/g 下，CO2消耗為15 kJ/mol，吸附量0.06 mol/g 下，CO2消耗為12 kJ/mol，吸附量0.08 mol/g 下，CO2消耗為10 kJ/mol。表明這些新技術(shù)具有較低的能耗。

3.3 未來研究方向

盡管已取得了顯著進(jìn)展，但目前的低分壓二氧化碳回收技術(shù)仍須進(jìn)一步的改進(jìn)，包括尋找更高效的吸附材料，提高吸附容量和選擇性，降低能耗，以及改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐用性。通過材料科學(xué)、工程學(xué)和模擬方法的深入研究，可實(shí)現(xiàn)技術(shù)性能的進(jìn)一步提升。低分壓二氧化碳回收技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不僅限于工業(yè)、能源和環(huán)境，還可以擴(kuò)展到更多領(lǐng)域，如航空航天、農(nóng)業(yè)及交通。未來的研究可探索這些新的應(yīng)用領(lǐng)域，并開發(fā)相應(yīng)的技術(shù)解決方案，以推動(dòng)碳減排的多樣化和廣泛化。

通過以上圖表和數(shù)據(jù)，可以清晰地看到最新的低分壓二氧化碳回收技術(shù)在吸附性能、選擇性及能源效率方面的創(chuàng)新之處。該技術(shù)為減少碳排放和實(shí)現(xiàn)碳中和提供了有力的工具，并有望在工業(yè)和能源領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

4 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

低分壓二氧化碳回收技術(shù)的創(chuàng)新性和高效性使其在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，為減少碳排放和環(huán)境保護(hù)提供了重要的解決方案。以下是一些實(shí)際應(yīng)用案例，并通過圖表和數(shù)據(jù)展示了該技術(shù)在減排和環(huán)境保護(hù)方面的效果。

4.1 工業(yè)領(lǐng)域

（1）石化工業(yè)。低分壓二氧化碳回收技術(shù)在石化工業(yè)中的應(yīng)用非常突出。許多石化廠使用這一技術(shù)來捕獲和回收工業(yè)廢氣中的CO2。以某典型的石化廠為例，隨著低分壓二氧化碳回收技術(shù)的應(yīng)用，該石化廠的CO2捕獲效率持續(xù)提高，減排效果顯著，具體見表2。

表2 石化廠CO2捕獲效率

（2）鋼鐵生產(chǎn)。在鋼鐵生產(chǎn)中，高溫煤氣中的CO2回收是關(guān)鍵問題。表3為某鋼鐵廠CO2回收效率數(shù)據(jù)，可看到在鋼鐵生產(chǎn)中應(yīng)用低分壓二氧化碳回收技術(shù)，有效減少了大量的碳排放。

表3 鋼鐵廠CO2回收效率

4.2 能源領(lǐng)域

在電力行業(yè)，燃煤電廠是主要的碳排放源，采用了低分壓二氧化碳回收技術(shù)后，某燃煤電廠甲烷排放消減量為：2019年10萬t，2020年12萬t，2021年15萬t?？梢钥吹剑头謮憾趸蓟厥占夹g(shù)不僅減少了CO2排放，還有助于減少其他溫室氣體的排放。

4.3 環(huán)境領(lǐng)域

低分壓二氧化碳回收技術(shù)還可用于改善城市環(huán)境質(zhì)量。例如，采用了低分壓二氧化碳回收技術(shù)后，某城市2019年凈化二氧化碳量8萬t，2020年凈化二氧化碳量9萬t，2021年凈化二氧化碳量10萬t，城市的空氣質(zhì)量得到了顯著改善。

通過以上實(shí)際應(yīng)用案例和相關(guān)數(shù)據(jù)，可清晰地看到低分壓二氧化碳回收技術(shù)在工業(yè)、能源和環(huán)境領(lǐng)域的重要作用。該技術(shù)不僅有助于減排，還有助于改善空氣質(zhì)量，為可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)做出積極的貢獻(xiàn)。

5 結(jié)束語

低分壓二氧化碳回收技術(shù)的嶄新前景和廣泛應(yīng)用為應(yīng)對(duì)氣候變化和碳排放挑戰(zhàn)帶來了新的希望。通過創(chuàng)新的吸附材料、低分壓操作及高效的能源利用，該技術(shù)已在工業(yè)、能源和環(huán)境領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的潛力。在工業(yè)領(lǐng)域，其幫助降低了石化、鋼鐵等行業(yè)的碳排放，推動(dòng)了綠色生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型。在能源領(lǐng)域，其為電力生產(chǎn)和溫室氣體排放削減提供了有效工具。在環(huán)境領(lǐng)域，其不僅改善了城市空氣質(zhì)量，還為溫室氣體捕獲和凈化提供了創(chuàng)新解決方案。以上應(yīng)用案例和數(shù)據(jù)展示了低分壓二氧化碳回收技術(shù)在減排和環(huán)境保護(hù)方面的卓越表現(xiàn)。隨著更多的研究和實(shí)際應(yīng)用，可期待這一技術(shù)在未來的可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用，為創(chuàng)造更清潔、更可持續(xù)的未來貢獻(xiàn)力量。